Nano-hashtags kan være nøglen til at generere den meget eftertragtede Majorana-kvasipartikel

UC Santa Barbara-videnskabsmænd er på nippet til et stort fremskridt inden for topologisk kvanteberegning.

I et papir, der står i journalen Natur , Chris Palmstrøm, en UCSB professor i elektro- og computerteknik og materialer, og kolleger beskriver en metode, hvorved "hashtag"-formede nanotråde kan lokkes til at generere Majorana kvasipartikler. Disse kvasipartikler er eksotiske tilstande, som hvis de realiseres, kan bruges til at kode information med meget lille risiko for dekohærens - en af ​​kvantecomputernes største udfordringer - og dermed ringe behov for kvantefejlkorrektion.

"Dette var et rigtig godt skridt mod at få tingene til at ske, " sagde Palmstrøm. I 2012 De hollandske videnskabsmænd Leo Kouwenhoven og Erik Bakkers (også forfattere på papiret) fra Delft og Eindhoven University of Technology i Holland, rapporterede den første observation af tilstande i overensstemmelse med disse kvasipartikler. På det tidspunkt, imidlertid, de holdt op med at have et endeligt bevis på, at de faktisk var Majoranas, og ikke andre fænomener.

Under ledelse af Microsoft Corporations Research Station Q med hovedkvarter på UCSB campus, dette hold af videnskabsmænd er en del af en større international indsats for at bygge den første topologiske kvantecomputer.

Kvasipartiklerne er opkaldt efter den italienske fysiker Ettore Majorana, som forudsagde deres eksistens i 1937, omkring kvantemekanikkens fødsel. De har den unikke sondring at være deres egne antipartikler - de kan udslette hinanden. De har også den egenskab at være ikke-abelske, resulterer i evnen til at "huske" deres relative positioner over tid - en egenskab, der gør dem centrale i topologisk kvanteberegning.

"Hvis I skal flytte disse Majoranas fysisk rundt om hinanden, de vil huske, om de blev flyttet med eller mod uret, " sagde Mihir Pendharkar, en kandidatstuderende forsker i Palmstrøm Gruppen. Denne operation med at flytte den ene rundt om den anden, fortsatte han, er det, der omtales som "fletning". Beregninger kunne i teorien udføres ved at flette Majoranas og derefter fusionere dem, at frigive et puf af energi – et "digital high" - eller absorbere energi - et "digital low". Oplysningerne er indeholdt og behandlet ved udveksling af positioner, og resultatet er delt mellem de to eller flere Majoranas (ikke selve kvasipartiklerne), en topologisk egenskab, der beskytter informationen mod de miljømæssige forstyrrelser (støj), der kan påvirke de enkelte Majoranas.

Imidlertid, før nogen fletning kan udføres, disse skrøbelige og flygtige kvasipartikler skal først genereres. I dette internationale samarbejde halvlederwafere startede deres rejse med mønstre af gulddråber på Delft University of Technology. Med gulddråberne, der fungerer som frø, Indium antimonid (InSb) halvleder nanotråde blev derefter dyrket på Eindhoven University of Technology. Næste, nanotrådene rejste over hele kloden til Santa Barbara, hvor Palmstrøm Groups forskere omhyggeligt rensede og delvist dækkede dem med en tynd skal af superledende aluminium. Nanotrådene blev returneret til Holland for elektriske lavtemperaturmålinger.

"Majorana er blevet forudsagt at forekomme mellem en superleder og en halvlederledning, Palmstrøm forklarede. Nogle af de krydsende ledninger i den infinitesimal hashtag-formede enhed er smeltet sammen, mens andre næsten ikke savner hinanden, efterlader et meget præcist hul. Dette smarte design, ifølge forskerne, gør det muligt for nogle områder af en nanotråd at gå uden en aluminiumsskalbelægning, fastlægge ideelle betingelser for måling af Majoranas.

"Det, du bør se, er en tilstand med nul energi, " sagde Pendharkar. Denne "nul-bias top" er i overensstemmelse med matematikken, der resulterer i, at en partikel er sin egen antipartikel og blev først observeret i 2012. "I 2012, de viste en lille nul-bias blip i et hav af baggrund, " sagde Pendharkar. Med den nye tilgang, fortsatte han, "nu er havet forsvundet, "hvilket ikke kun tydeliggør 2012-resultatet og tager forskerne et skridt tættere på det endelige bevis for Majorana-stater, men lægger også et mere robust grundlag for produktionen af ​​disse kvasipartikler.

Majoranas, på grund af deres særlige immunitet over for fejl, kan bruges til at konstruere en ideel qubit (enhed af kvanteinformation) til topologiske kvantecomputere, og, ifølge forskerne, kan resultere i en mere praktisk anvendelig kvantecomputer, fordi dens fejltolerance vil kræve færre qubits til fejlkorrektion.

"Alle kvantecomputere kommer til at arbejde ved meget lave temperaturer, Palmstrøm sagde, "fordi 'kvante' er en meget lav energiforskel." Dermed, sagde forskerne, afkøling af færre fejltolerante qubits i et kvantekredsløb ville være lettere, og udført i et mindre fodaftryk, end at afkøle mere fejltilbøjelige qubits plus dem, der kræves for at beskytte mod fejl.

Det sidste skridt mod afgørende bevis på Majoranas vil være i fletningen, et eksperiment, forskerne håber at gennemføre i den nærmeste fremtid. Til det formål, forskerne fortsætter med at bygge videre på dette fundament med design, der kan muliggøre og måle resultatet af fletning.

"Vi har haft finansieringen og ekspertisen fra folk, der er eksperter i målingssiden af ​​tingene, og eksperter i teorisiden af ​​tingene, " sagde Pendharkar, "og det har været et fantastisk samarbejde, der har bragt os op på dette niveau."